VUT v Brně: Tvorba kapotáže vozidla Formule Student v prostředí CATIA

Jak v systému CATIA efektivně a korektně navrhnout nový design karosérie

Obor automobilního průmyslu je vedoucím oborem naší ekonomiky v průmyslové oblasti. Je to obor s největším objemem exportu, obor, kde zároveň vládne vysoká mezinárodní konkurence. Aby bylo možno v této konkurenci obstát a přicházet se stále novými High-Tech řešeními, k tomu je nutné mít potřebné technické vybavení a především to hlavní - vysoce kvalifikované odborníky. Jedním z nejlepších přístupů, jak takové mladé talenty vychovávat je mezinárodní soutěž studentských formulí, známá v Evropě jako Formule Student.

Vozidla formule student jsou jednomístné závodní monoposty lehké konstrukce. Celá soutěž je koncipována jako soutěž týmů, které mají představovat malou firmu, která má za cíl postavit formulové vozidlo pro víkendové závodění podle daných pravidel. Každé z vozidel je originálem navrženým studenty.

Celá myšlenka závodů Formule Student vznikla v USA, kde firmy automobilového průmyslu začaly tímto způsobem podporovat tvůrčí úsilí studentů technických univerzit s velice prozíravým cílem: Najít a podpořit schopné studenty technických univerzit tak, aby co nejvíce potřebných znalostí a zkušeností pro praxi získali už v době studia. Prostě vytvořit líheň talentů. V r.1981 tak vznikla soutěž tzv. Formule SAE (SAE = Society of Automotive Engineers, celosvětová společnost automobilních inženýrů, pod jejíž patronací se studentská formule v USA pořádá), která se velice rychle rozšířila na téměř všechny univerzity v USA a Kanadě. Po 7 letech se tato myšlenka přesunula přes oceán do Evropy. Dnes se jezdí závody již téměř po celém světě, včetně Austrálie a Nového Zélandu.

Od r. 1998 se soutěž v Evropě pořádá pod patronací britského Institutu strojních inženýrů IMechE (Institute of Mechanical Engineers). Závody se dnes jezdí na řadě míst, největší závod se každoročně koná v Anglickém Silverstone, zpravidla týden po závodech Formule 1. Další velké závody jsou pořádány v Německu, Itálii, Rakousku, Španělsku a v poslední době i v Maďarsku.

Celá soutěž není jen prostým závoděním, jedná se o technickou formuli, kde soutěží konstrukční návrhy. Disciplíny, za které studenti získávají body, jsou proto rozděleny na tzv. statické a dynamické. Mezi statické disciplíny patří Design, Cena a vyrobitelnost a Obchodní plán (tým studentů má představovat malou firmu zabývající se výrobou formule pro víkendové závodění), dynamickými disciplínami je Akcelerace, Skidpad (jízda po trati tvaru „osmičky", na které se testuje, jak vozidlo „sedí" a jaké má jízdní vlastnosti), Sprint mezi kužely a hlavní disciplínou je Vytrvalostní závod a spotřeba paliva (tzv. „Endurance & Fuel Economy„) na přibližně 22 km (podle konkrétní postavené trati), který se jezdí na stejné trati jako Sprint, ale u tohoto finálního závodu je zároveň předepsána i výměna 2 jezdců. Hodnotí se nejen dosažený čas, ale i spotřeba paliva jako důležitý parametr spojený s všeobecným trendem snižování objemu CO2 produkovaného automobily.

První koncepce a návrhy vozidla Formule Student vznikly na Ústavu automobilního a dopravního inženýrství na Fakultě strojního inženýrství Vysokého učení technického v Brně. Vznikaly první konkrétní technické návrhy, které byly dále zlepšovány. Zároveň byl hledán způsob, jak stavbu formule zrealizovat. 

Studenti Ústavu automobilního a dopravního inženýrství Vysokého učení technického v Brně v průběhu školního 2010/2011 pracovali na vývoji a výrobě první generace studentské formule (Formula Student) Dragon 1.  

Základem je prostorový rám z ocelových trubek. Pohonným srdcem speciálu je vodou chlazený jednoválcový motor Husaberg FE 570 o objemu 570 cm3 a maximálním výkonu 42kW při 8800 ot./min. Převodovka je šestistupňová s elektromagnetickým řazením Proshift, řazení je ovládáno tlačítky umístěných na volantu. O přenos síly z motoru na kola se prostřednictvím řetězu stará diferenciál Drexler s omezenou svorností. K dosažení co nejlepších jízdních vlastností je použito nezávislé zavěšení kol dvojitými A-rameny a odpružení systémem pull-rod vpředu a push-rod vzadu s tlumiči od firmy Ohlins. Pro brzdový systém bylo využito komponent od firmy Willwood. Závodní obutí obstarávají pneumatiky Hoosier 7.0x13" Racing Slicks, které se vyrábí speciálně pro týmy Formule Student/Formule SAE. Formule má délku 2850 mm, rozvor náprav (vzdálenost mezi osou předních a zadních kol) 2000 mm, rozchod kol je vpředu 1362 mm, vzadu 1322 mm, výška vozidla v místě hlavního ochranného rámu činí 1016 mm. Hmotnost formule bez řidiče je 220 kg. Díky této hmotnosti dosahuje formule zrychlení srovnatelné např. s vysoce výkonnými modely sportovních automobilů Porsche.

• Tvorba kapotáže vozidla 1. generace

Bylo nutné řešit konstrukční návrh jednotlivých dílů a konstrukčních skupin, včetně návaznosti výrobní technologii až k finální výrobě dílů. Jedním z náročných úkolů je návrh a výroba kapotáže vozidla, která musí splňovat technické i estetické požadavky. V loňském roce vycházel design kapotáže z návrhu vytvořeného v software zaměřeném na designérské práce. Návrh vypadal na první pohled použitelně, problému však nastaly při jeho zpracování CAM systémy pro účely frézování forem k výrobě jednotlivých dílů. Při kontrole digitálních modelů bylo zjištěno velké množství chyb modelu, ať už se jednalo o neregulérně vytvořené plochy (např. degenerované trojúhelníkové plochy se třemi vrcholy), nespojitost ploch nebo i nedostatečná hladkost ploch.

Tyto chyby bylo snahou opravit v některém z pokročilých CAD systémů, ale tento problém se ukázal jako velice nesnadno řešitelný s velkou časovou náročností. Výsledek byl sice i přes potíže se zdrojovými designovými daty velice solidní, ale velice zdlouhavý.

• Tvorba kapotáže formule 2. generace s využitím software CATIA V5

Byl hledán vhodnější způsob, jak v CAD systému efektivně a korektně navrhnout nový design karosérie. Situaci a celkový postup výrazně usnadnilo použití CATIA V5.

Na základě prvotních skic byl vytvořen koncepční model s využitím modulu Generative Shape Design. Plochy v tomto modulu jsou definovány pomocí tvořících (Section Curve) a vodících křivek (Guide Curve). Podmínkou pro vznik korektní geometrie je vytvoření kvalitního drátového modelu (Wireframe).

Následně byl použit modul Imagine&Shape jež pro modelování užívá poněkud odlišné filozofie. Výsledný tvar vzniká ze základních primitiv (koule, krychle, válec...), která jsou zastoupena sítí (mesh), jejíž uzly jsou kontrolními body celé geometrie. Uživatel tak vytváří kvalitní geometrii způsobem, který takový výsledek většinou zaručit nedokáže. Je to jakási obdoba polygonového modelování, ale uživatel při něm pracuje s hodnotnou NURBS geometrií. Uzlové body je možno přesouvat natáčet a také měnit jejich počet, čímž lze dosáhnout požadovaného tvaru.

Konečné úpravy geometrie (zaoblování, vytváření přechodových ploch) byly provedeny v modulu ICEM Shape Design, který slouží pro tvorbu A-Class geometrie (termín užívaný převážně v automobilovém designu označující esteticky hodnotné plochy).

CATIA také poskytuje diagnostické algoritmy a nástroje pro kontrolu výsledné geometrie (hladkosti ploch, jejich návaznosti, uzavřenost topologie atd.), které posloužily v poslední fázi pro rychlou uživatelskou kontrolu výstupních dat.

Zlepšení celkového postupu návrhu a procesu výroby kapotáže byly předpokladem pro ještě lepší výsledek než v předchozím roce. Použití CATIA V5 navíc umožnilo čas, který by bylo jinak nutno věnovat zdlouhavému procesu odstraňovaní chyb převzatých z importovaných designérských návrhů, věnovat tentokrát příjemnější tvůrčí práci při vytváření designu pomocí profesionálních značně pokročilých nástrojů, které jsou v modulech CATIA V5 k dispozici.